解析Linux中的 likely 和 unlikely

Linux 中多处出现 likely 和 unlikely 的使用，它们的定义如下：

# define likely(x)   __builtin_expect(!!(x), 1)
# define unlikely(x)    __builtin_expect(!!(x), 0)

函数原型

__builtin_expect 是 GCC 提供的内置函数 (built-in functions)，函数原型是

long __builtin_expect (long exp, long c)

函数的返回值是 exp，它告诉编译器，代码期望的是 exp == c 。

注意：代码中!!，并不是特殊符号，只是两次取反，通过这种技巧，可以将任意量转换为0或1。0 为 0，非 0 值为1。

使用该函数的作用

现代处理器的工作远超前于当前指令，比如从内存读新指令，译码指令等。只要指令遵循的是简单的顺序，那么这种指令流水线化就能很好的工作。当遇到分支的时候，处理器必须猜测分支该往哪个方向走，如果猜测错误，就会损失处理器的性能，因此需要分支预测技术。
__builtin_expect 就是用来为处理器的分支预测提供信息，帮助处理器进行分支预测。

if (unlikely(x)) {do_something();
}
return x;

编译器会让主分支是概率最大的分支，尽量减少程序跳转的情况。以上代码会被编译器调整为如下的汇编逻辑。

if(x)goto L1;return x;
L1:do_something();return x;

通过汇编代码查看编译器实际动作

int normal_fun(int x)
{if (x) {do_something();}return x;
}int unlikely_fun(int x)
{if(__builtin_expect(x, 0)) {do_something();}return x;
}int likely_fun(int x)
{if(__builtin_expect(x, 1)) {do_something();}return x;
}

汇编代码如下：

normal_fun:pushq   %rbxmovl    %edi, %ebxtestl   %edi, %edijne     .L4       ；normal 版本采用默认的分支预测
.L2:movl    %ebx, %eaxpopq    %rbxret
.L4:movl    $0, %eaxcall    do_somethingjmp     .L2
unlikely_fun:           pushq   %rbxmovl    %edi, %ebxtestl   %edi, %edijne     .L8     ；使等于1的情况作为跳转分支。
.L6:movl    %ebx, %eaxpopq    %rbxret
.L8:movl    $0, %eaxcall    do_somethingjmp     .L6
likely_fun:pushq   %rbxmovl    %edi, %ebxtestl   %edi, %edije      .L10 ；使等于1的情况作为主分支。movl    $0, %eaxcall    do_something
.L10:movl    %ebx, %eaxpopq    %rbxret

参考：
Other Built-in Functions Provided by GCC
How do the likely/unlikely macros in the Linux kernel work and what is their benefit?
GCC __builtin_expect 解析